交直流混合微电网并联接口变换器的VSG控制策略*

范广胜, 朱 琳, 封洋燚, 王 鹏, 徐海瑞

(1.东北电力大学 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林 吉林 132012；2.国家能源投资集团有限责任公司邯郸热电厂，河北 邯郸 056000；3.河北华电石家庄热电有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引 言

随着微电网的大力发展，分布式电源(DG)在微电网中的渗透率逐渐增大[1-3]。现有DG大多数属于直流型电源，同时越来越多的负载是需要直流供电而不是交流供电，通过直流微电网连接直流负载，可以减少电力电子元件的变换过程的能量损耗[4-6]。然而，交流配电目前占主导地位，并且将持续数十年。因此，更可能的情况是同时存在直流子电网和交流子电网，以及电源、储能和负载之间的适当分布。可通过接口变换器将子电网连接在一起，形成交直流混合微电网[7-9]。

由于交直流混合微电网的接口变换器能够实现整流模式、逆变模式、切换模式3大功能，相对于传统的交流微电网或者直流微电网来说，其控制方法比较复杂。目前常用的交直流混合微电网接口变换器的控制策略主要包括归一化下垂控制策略、双向下垂控制策略、虚拟同步发电机(VSG)控制策略等。

文献[10-12]提出归一化控制策略，分别从直流子网、交流子网中提取具有代表性的物理量即直流母线电压与交流母线频率，将两者输送到归一化公式中，进行量纲统一处理，并将两者归一化之后的差值输入到比例积分控制器，从而获得接口变换器传输有功功率的参考值，但是该控制策略应用在多台并联的接口变换器时，各接口变换器之间会产生循环功率问题。文献[13]提出一种双向下垂控制策略，接口变换器采用有功-直流电压与有功-交流频率下垂控制策略，通过控制直流母线电压与交流母线频率的变化来功率的双向流动，然而，该控制策略应用在多台并联的接口变换器时，各接口变换器之间的功率分配精度较低。文献[14]提出一种新型下垂控制策略，对交流频率、直流电压进行归一化处理，然后将处理的结果与功率-电压下垂控制、功率-频率下垂控制相结合，实现接口变换器之间的功率分配。但是，该控制策略仅适用于控制从直流侧到交流侧的功率流，并且没有任何机制可通过交流电源支持直流电网。文献[15]在文献[13]的基础上，提出了小交流信号注入接口变换器的控制方法。在该方法中，小交流信号的频率与接口变换器输出基波电压的下垂偏置成下垂关系，可使变换器输出的电压和频率恢复到额定值附近，但是，并联接口变换器之间的功率分配精度较低，且在投切负荷的瞬间，直流母线电压与交流母线频率波动较大，不利于系统的稳定性。以上所采用的算法可归纳为：下垂控制策略为基础，几乎不能为交直流混合系统提供惯性。为此，文献[16]提出了交直流微电网中具有同步发电机特性的接口变换器的控制策略，该方法将同步发电机技术应用于接口变换器控制系统，通过模仿同步发电机来改善不良的动态直流电压与频率稳定性。但是，该控制策略应用在多台并联的接口变换器时，各接口变换器之间同样会产生循环功率问题，以及并联接口变换器功率分配精度较低问题。

为了克服文献[10-12]的缺陷，在文献[15-16]的基础上，本文提出了交直流混合微电网并联接口变换器的VSG控制策略。该控制策略可以解决并联接口变换器循环功率问题，提高系统的惯性，实现了并联接口变换器按照各自容量比进行功率分配。最后，通过仿真，对比了所提控制策略与传统控制策略的控制效果。

1 归一化下垂控制策略的原理

归一化下垂控制策略控制框图[10-12]如图1所示。该控制策略是将直流母线电压与交流母线频率代入对应的归一化公式，得到2个可进行数学运算的量。归一化的直流母线电压Udc,pu定义为

(1)

式中：Umax、Umin分别为直流母线电压的最大值和最小值。

归一化的交流母线频率fac,pu可定义为

(2)

式中：fmax、fmin分别为交流母线频率的最大值与最小值。

图1 归一化下垂控制策略控制框图

交流母线频率与直流母线电压进行归一化处理之后，直流侧到交流侧的传输功率PIC可表示为

PIC=Kic(Udc，pu-fac，pu)

(3)

式中：Kic为接口变换器的下垂系数。

由式(3)可得出，如果交流侧的归一化频率值等于直流侧的归一化电压值，即Udc,pu=fac,pu，此时PIC=0，功率不进行转移；如果直流负载增加，则Udc,pu减小，此时PIC<0，功率应从交流子微网转移到直流子微网；如果交流负载增加，则fac,pu减小，此时PIC>0，功率应从直流子微网转移到交流子微网。

在dq参考坐标系中，传输有功功率计算式为

(4)

式中：id、ud是接口变换器交流电流和电压的d轴分量。

结合式(3)和式(4)，可得接口变换器的参考电流为

(5)

当交流负载或者直流负载变化较大时，单个接口变换器不足以传递足够的功率，此时应该增加接口变换器的数量，本文以并联接口变换器为例进行分析。交直流混合微电网采用2个接口变换器并联运行，如图2所示。会出现以下问题：

(1) 由于直流侧线路电阻的影响，不同接口变换器的直流端电压具有不相同的值，因此根据式(5)，接口变换器无法分担与相应的下垂系数成比例的负载。

(2) 由于直流侧线路电阻的影响，一个接口变换器的Udc,pu可能高于fac,pu，而另一个接口变换器的Udc,pu可能低于fac,pu。因此，一个接口变换器将有功功率从直流子微网传递到交流子微网，而另外一个则将功率从交流子微网传输到直流子微网，说明有功功率在交流子微网和直流子微网之间循环。循环功率将增加系统和接口变换器的损耗，占用接口变换器的容量并产生过应力问题。

(3) 归一化的下垂控制几乎不能为系统提供惯性。当系统负载发生变换时，瞬时波动较大，会对系统的稳定性造成一定得影响。

如果上述3个主要问题能够得到有效解决，交直流混合微电网系统的性能将会得到改善。

图2 混合微电网的简化拓扑图

2 基于VSG并联接口变换器的控制策略

2.1 消除直流侧线路电阻对接口变化器的影响

第1节中提到，直流侧线路电阻对并联接口变化器影响较大。要想消除影响，应将局部母线直流电压变为全局直流叠加频率[17-19]。文献[17-19]从概念上解释了直流频率下垂控制方法，但是局限于直流微电网的功率分配控制。本文受文献[17-19]的启发，设计了将小交流电压信号源注入DC/DC转换器中，相当于在直流DC/DC转换器的电压上叠加一个直流频率，其中直流频率与相应的输出功率成比例。因此，转换器与基于叠加频率的下垂方法一起被协调。此外，因为注入的叠加频率对于接口变换器均具有相同的值，所以接口变换器将不受直流侧线路电阻的影响。

DC/DC转换器的频率下垂控制如图3所示。在直流电压上加一个小交流电压信号源，其频率与相应的输出功率成正比，满足如下方程：

fdc=fmax-KdcPdc

(6)

式中：fdc为直流叠加频率；Kdc为下垂系数；fmax为空载时的最大频率。

图3 DC/DC转换器的频率下垂控制

2.2 系统惯量补充

第1节中提到了传统的归一化控制策略在交直流侧负荷变化的瞬间，几乎不能为系统提供一定的惯量和缓冲时间，对系统冲击较大，可能损坏设备。为了解决这个问题，文献[16]提出在交直流微电网中具有同步发电机特性的接口变换器的控制策略，为交直流混合系统提供了一定的惯量，本文采用了类似的思想，对系统的惯量进行补充。但是如果能与2.1节所提基于频率叠加的控制方法结合起来，系统性能会进一步得到完善。根据归一化控制策略思路，将直流子网的叠加频率与虚拟同步机的虚拟频率差值作为VSG的机械力矩，不但为系统提供了一定的惯量，而且解决了循环功率问题，最终实现各接口变换器按额定容量传输有功功率。

本文最终提出的交直流混合微电网并联接口变换器的VSG控制策略控制框图如图4所示。

图4 基于VSG的IC控制策略

该控制策略需要用到如下数学方程：

(7)

(8)

(9)

Ei=E0+KE(UN-Ug)

(10)

式中:Ji为转动惯量；ωN为额定频率；KP,i为功率误差增益；PIC,i为传输功率值；Ei为虚拟电动势；KE为交流母线电压误差增益；UN为额定交流电压有效值；Ug为交流母线电压有效值。

功率误差增益应满足：

(11)

稳定情况下dωi/dt=0，即：

PIC,i=KP,i(fdc_pu-fpu1)

(12)

由于所有的接口变换器均并联在相同的交流母线上，则稳态时虚拟频率的测量值相等，即：

fpu1=fpu2

(13)

由于小交流信号电压源的注入，使fdc_pu在直流微网中成为全局变量，即：

fdc_pu1=fdc_pu2

(14)

联立式(11)～式(14)可得：

(15)

式中:Si为各接口变换器额定容量。

由式(15)可知：稳定状态下各IC传输的有功功率之比近似等于其额定容量之比。

3 仿真分析

利用MATLAB/Simulink 软件，搭建交直流混合微网并联接口变换器的仿真平台，仿真参数如表1所示。

微电网的运行方式主要有2种：并网模式与孤岛模式。在孤岛模式下对接口变换器采用传统控制策略以及本文所提出的控制策略进行仿真分析。

表1 仿真参数

逆变模式下仿真结果如图5～图9所示。

图5 逆变模式下交、直流电源发出的功率

图6 逆变模式下接口变换器的传输功率

图7 逆变模式下直流母线电压的变化情况

在0.2～1.2 s时间段，交直流混合微电网中直流负载为0.5 kW，交流负载为3 kW，直流电源发出1.37 kW的有功功率，交流电源发出2.125 kW有功功率，如图5所示。接口变换器1与接口变换器2分别从直流侧向交流侧传递663、210 W功率；直流电压稳定在约399 V，接口变换器1的直流端口电压的归一化值、交流母线频率的归一化值、接口变换器2的直流端口电压的归一化值的大小关系：Udc1>Udc2>fac。

图8 逆变模式下交流母线频率的变化情况

图9 逆变模式下参数归一化值的比较

接口变换器1与接口变换器2的额定容量比为2…1，按照前文的理论分析可得出：二者的传输有功功率之比应为2…1，而实际接口变换器1与接口变换器2传输有功功率之比为663…210≈3…1。说明直流侧线路电阻不同，接口变换器的端电压不同，导致并联接口变换器的有功功率分配精度较低。同时，根据Udc1>Udc2>fac，判断并联接口变换器处于逆变模式。

在1.2～1.8 s时间段，交直流混合微电网中直流负载为2 kW，交流负载为3 kW，直流电源发出2.24 kW的有功功率，交流电源发出2.75 kW的有功功率；接口变换器1与接口变换器2分别由直流侧向交流侧传递352、-110 W有功功率，直流电压变为约397 V，接口变换器1的直流端口电压的归一化值、交流母线频率的归一化值、接口变换器2的直流端口电压的归一化值的大小关系为Udc1>fac>Udc2。

接口变换器1与接口变换器2传输的有功功率分别为352、-110 kW，对应逆变模式与整流模式，比值近似为3…1，说明直流侧线路电阻不同，接口变换器的端电压不同，导致并联接口变换器之间产生了循环功率。循环功率不但降低了并联接口变换器的有功功率分配精度，而且增加接口变换器的损耗，缩短接口变换器的寿命，并占用接口变换器的容量。

在1.8～2.6 s时间段，交直流混合微电网中直流负载变为3.5 kW，交流负载为3 kW，直流电源发出3.26 kW的有功功率，交流电源发出3.24 kW的有功功率，接口变换器1与接口变换器2分别由交流侧向直流侧传递-180、-56.25 W的有功功率，直流电压约为391.5 V，接口变换器1的直流端口电压归一化值、交流母线频率的归一化值、接口变换器2的直流端口电压的归一化值的关系：fac>Udc1>Udc2。

接口变换器1与接口变换器2传输有功功率之比为-180…-56.25≈3…1，且均处于整流模式。说明直流侧线路电阻不同，接口变换器的端电压不同，导致有功功率分配精度较低。

观察图6～图8的拐点处可知，负载变化会导致直流母线电压、交流母线频率存在骤降状态，同时传输功率存在一定的超调量。

整流模式下仿真结果如图10～图14所示。

在0.2～1.2 s时间段，交直流混合微电网中直流负载为0.5 kW，交流负载为3 kW，直流电源发出1.4 kW的有功功率，交流电源发出2.13 kW的有功功率，如图10所示。接口变换器1与接口变换器2分别由直流侧向交流侧传递581、291 W的有功功率，直流电压稳定在约400 V，接口变换器的直流端口频率的归一化值、交流母线频率的归一化值的大小关系为fdc>f2=f1。

图10 整流模式下交、直流电源发出的功率

接口变换器1与接口变换器2的额定容量比为2…1，按照前面的理论分析可以得出：二者的传输有功功率之比为2…1，而此时实际接口变换器1与接口变换器2传输有功功率之比为581…291≈2…1，且二者均为逆变模式。说明所提控制策略消除了直流侧线路电阻的影响，提高了并联接口变换器的有功功率分配精度。

图11 整流模式下接口变换器的传输功率

图12 整流模式下直流母线电压的变化情况

图13 整流模式下交流母线频率的变化情况

图14 整流模式下参数归一化值的比较

在1.2～1.8 s时间段，交直流混合微电网中直流负载为2 kW，交流负载为3 kW，直流电源发出2.38 kW的有功功率，交流电源发出2.62 kW的有功功率，接口变换器1与接口变换器2分别由直流侧向交流侧传递250、125 W的有功功率，直流电压约为398 V，接口变换器1的直流端口频率的归一化值、交流母线频率的归一化值的大小关系为fdc>f2=f1。

接口变换器1与接口变换器2传输有功功率之比为250…125≈2…1，且处于逆变模式。说明所提控制策略消除了直流侧线路电阻的影响，解决了并联接口变换器之间的循环功率问题，并且提高了并联接口变换器的有功功率分配精度，减少了系统和接口变换器的损耗，提高了接口变换器的寿命。

在1.8～2.6 s时间段，交直流混合微电网中直流负载变为3.5 kW，交流负载为3 kW，直流电源发出3.24 kW的有功功率，交流电源发出3.3 kW的有功功率，接口变换器1与接口变换器2分别向交流侧传递-180、-90 W有功功率，直流电压为397.5 V左右，接口变换器1的直流端口频率归一化值、交流母线频率的归一化值的大小关系为f2=f1>fdc。

接口变换器1与接口变换器2传输有功功率之比为-180…-90≈2…1，且均处于整流模式。说明所提控制策略已经消除了直流侧线路电阻的影响，提高了并联接口变换器有功功率分配精度。

观察图11～图13可知，采用所提控制策略时，电压值一直稳定在额定值附近，交流母线频率可以较为平滑的恢复到稳态，并且不存在电压或者频率骤降状态，同时传输功率也能够平滑的恢复到稳态，提高了系统的稳定性能。

4 结 语

本文总结了传统的归一化控制方法存在功率分配精度低、循环功率、惯量不足等问题，并且分析了问题产生的原因。针对这些原因，提出了交直流混合微电网并联接口变换器的VSG控制策略。最后通过仿真，验证了所提算法的有效性。得出以下结论：

(1) 所提控制策略能够消除直流侧线路电阻对并联接口变换器的影响，提高并联接口变换器的功率分配精度。

(2) 所提控制策略能够消除直流侧线路电阻对并联接口变换器的影响，解决接口变化器之间的循环功率问题，并且提高了并联接口变换器的有功功率分配精度，减少了系统和接口变换器的损耗，从而提高接口变换器的寿命。

(3) 所提控制策略能够在负荷变化时为系统提供一定的惯量，不但使频率、电压在所允许的范围内波动，而且实际电压值在额定值附近。